数字机顶盒的设计.docx

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数字机顶盒的设计

数字电视机顶盒

摘要

数字电视是继黑白电视和彩色电视后的第三代电视。

通过数字高清晰度电视机顶盒可以使用高清晰度电视收看高清晰度的数字电视节目，也可用现有的模拟电视收看标准清晰度的数字电视节目，是模拟电视向数字电视过度的桥梁。

本论文完成的任务是设计与实现“新一代高清晰度数字电视机顶盒”项目中信源解码器硬件的STi5514和部分软件功能。

我们选择了ST公司的STi5514+STi7020高清晰度数字电视信源解码器方案。

本论文系统介绍了STi5514及其相关外围电路的硬件设计和实现原理。

STi5514是一个高集成度的单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时具有强大的控制功能，可以配合STi7020实现高清晰度音视频解码。

它集成了一个高性能的32位CPU、三个专用的DVB传输流解复用和解扰模块、一个MPEGMP@ML视频解码模块，一个多标准音频解码模块、一个数字视频编码器。

另外，它内置了ATAPI接口，可以和硬盘驱动器无缝连接，实现录放像和时移播放等功能。

它还集成了多种外设，如SSC，ASC，红外等，可以实现条件接收，软件升级，遥控接收等功能。

关键字：

数字电视；机顶盒；信源解码器；视频解码；智能卡

DigitalTVset-topboxdesign

ABSTRACT

DigitalTVisthethirdgenerationTVafterblackandwhiteTVandcolorTV.ThroughtheHDTVSet-topbox,wecanreceivethedigitalhighdefinitionTVprogramwithHDTVordigitalstandarddefinitionTVprogramwithanalogTV.TheSet-topboxisanbridgefromanalogTVtodigitalTV.ThepurposeofthepaperistodesignandimplementthehardwareofSTi5514ofthenewgenerationHDTVSet-topbox..WechoseST’sHDTVsourcedecodersolutionwithSTi5514+STi7020.ThehardwaredesignandrealizingofSTi5514andperipheralisdescribedindetailinthispaper.

STi5514isahighlyintegratedsingle-chipdecoderforSDTVSet-topbox.Also,itcancontrolSTi7020torealizeHDTVdecoding.Itintegratesahigh-performance32-bitCPU,threededicatedblockforDVBTSdemultiplexinganddescrambling,modulesforMPEG-2MP@MLvideoandaudiodecodinganddigitalvideoencoder.AnATAPIinterfaceisbuilt-inforthegluelessconnectionwithstandardHardDiskDriver.Inthisway,itcanrealizetrickmodessuchasliveTVrecording、pausingandtime-shifting.Italsointegratesmanyon-chipperipheralssuchasASC、SSCforsoftwareupdateandconditionalaccess.

KeyWords：

DigitalTV,SourceDecoder,Set-topbox,Videodecoding，Smartcard

第一章绪论..................................................................................................................1

1.1课题研究背景及意义.......................................................................................1

1.2国内外发展情况...............................................................................................1

1.3课题研究的内容...............................................................................................2

第二章数字电视机顶盒的原理..................................................................................3

2.1数字电视机顶盒的工作原理.........................................................................3

2.2几种数字电视机顶盒方案.............................................................................4

2.2.1BCM7401解决方案.........................................................................4

2.2.2ZR39680解决方案...........................................................................4

2.2.3STi5514+STi7020解决方案..............................................................4

2.3本论文方案.....................................................................................................5

第三章高频头模块的原理..........................................................................................5

3.1数字调谐原理.................................................................................................5

3.2高频头模块电路图.........................................................................................5

第四章信源解码板......................................................................................................6

4.1信源解码的结构功能.....................................................................................6

4.2前端接口.........................................................................................................7

4.3STi5514芯片及其系统外设接口..................................................................8

4.3.1STi5514前段接口信号..................................................................9

4.3.2存储器映像........................................................................................9

4.3.3STi5514可编程外部接口（EMI）.......................................................10

4.3.4RS232串行数据接口........................................................................10

4.3.5可编程传输接口................................................................................11

4.3.6智能卡接口介绍................................................................................12

4.4视频和音频输出......................................................................................................13

4.4.1STi7020系统.................................................................................................13

4.4.2视频输出.......................................................................................................14

4.4.3音频输出.......................................................................................................15

第五章软件系统..................................................................................................................17

5.1数字电视机顶盒软件系统....................................................................................17

5.2智能卡接口软件......................................................................................................19

5.2.1智能卡接口软件结构..............................................................................19

5.2.2智能卡API...................................................................................................19

5.3视频系统软件...........................................................................................................20

5.3.1视频解码软件............................................................................................20

5.3.2视频时序软件..............................................................................................22

5.3.3视频显示软件..............................................................................................23

第六章结论.........................................................................................................................26

参考文献..................................................................................................................................27

致谢.........................................................................................................................28

附录A........................................................................................................................29

附录B........................................................................................................................32

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

数字电视是新推出的电视，共有3种类型：

普清电视、标清电视、高清电视，即PDTV、SDTV、HDTV，标清电视的辅音效果和图片影像都好过模拟电视，图片水平得到了很大的提高，频道使用情况好。

而高清电视能有超级宽的屏幕、REAL的声音、更好的视觉效果[4]。

数据化视听技术追求的新方向，要提高数据化传输的效率，做到高效节能，并在限定的空间内送出更多的电视节目。

但是，我国目前的电视大多数为模拟电视，在短期内，数字电视无法完全将模拟电视替换掉，所以机顶盒正是帮助我们解决模拟电视过度到数字电视的方案。

世界各国都在都在大力发展电视数字化，全球的用户数也在不断的增多。

对于这种情况，我国也制定了相应的政策，其中就有一条为我国在未来将停止模拟电视播出。

直至现在，我国发达地区、城市地区有部分完成了数字广播的数字化。

数字电视在传输中不仅有数字视频格式，还有模拟视频格式，因此模拟电视机也能通过数字机顶盒收看数字电视。

这样就可以满足大众的要求，人们都使用这个方法来接收数字信号。

随着科学技术的发展和数字电视信号的运用，为高清数字电视机顶盒推动了市场的需求，人们对观看电视节目的要求越来越高。

根据我国目前的前景来看，商业化数字电视合体机将会持续发展下去，数字电视和机顶盒合为一体。

但现在，还是要通过数字电视机顶盒来将广播信号转换成我们需要的信号。

在机顶盒的最初开发时，只输出模拟信号，没有达到清晰的效果，因此没有完全的应用到数字电视机的特长。

高清数字电视机顶盒也应运而生。

1.2国内外发展情况

数字电视技术在中国也很早的开始研究，并在80年代就着手于这方面的筹备，如在95年成立国家高清晰度电视研究总体组，数字高清样机系统在98年首次开发出，这使得我国成为全球中为数不多的能进行数字电视传输系统的国家。

在过一年的中国建国周年的大好日子中，数字电视第一次出现在全国人民眼帘中并取得了巨大成果[7]。

而现在，电视台中基本上都在使用卫星播放出数字信号，电视台同时也把传送和接收的设备进行了更新。

对于未来数字电视的战略中，国广局推出15规划中提到了：

中华人民共和国会使用世界上常规的DVB标准，并在20世纪出形成中国特色的广播传输系统，同时加快速度推进发展数字广播，中国上有了两套方案已经通过：

DVB-T和ADVB-T。

与其他技术发展好的发达国家相比之下，我国人数基数大，且大多数人生活在城市里，许多家庭都通过有线电视观看电视节目的，城市家庭的经济能力不错，这为数字电视的推广做了很好的铺垫。

况且我国也已经推出了相关的电视传输以及接收标准，为有线数字电视的运用提供了优秀的技术支持。

此外，国家广播电视运转了三十七万里光纤干线网，对于全国数字电视用户来说，开创了优良的网络条件。

政府下了文书，我国要完成数字化这一目标，将会让数字电视取代模拟电视，模拟电视也逐渐淡出了人们的视野。

高清电视第一次是出现在日本，在20世纪70年代就第一次有了HDTV方案，并且发展迅猛出了上千种电视系统。

1988年在韩国首都的奥林匹克运动会上就运用了高清晰度电视进行了实况转播。

日本有着自己独特的编码传送方式来通过特有的卫星通路进行高清信号的传输，实际上就是模拟传输[1]。

数字电视也在欧洲逐渐兴起，欧洲开发小组由百多个组织组合来的，共同研发先进的数字系统，其中有地面卫星广播和有线电视传输的优秀图像的系统。

还在九几年创建了相关的项目。

另外，欧洲在研发数字电视的质量上取的了不错的成果，先后推出了三种不同的广播输出标准：

地面；卫星；有线。

美国虽然数字电视研究起步较晚，但在看出了HDTV的潜力以后，加快了数字电视的研究，最初就开始全数字化的方案，并且最先开始了商用播出。

在1993年时，美国7家公司形成了合作，共同推出美国的HDTV地面广播标准。

直至现在，美国数字电视的范围几乎蕴含了全部地区。

1.3课题的研究内容

本课题使用了ST公司的STi5514+STi7020信源解码器方案，掌握好信源解码模块和高频头模块原理，并设计智能卡接口软件，视频解码软件，节目管理软件，实现部分机顶盒功能。

第二章数字电视机顶盒与原理

2.1数字电视机顶盒的工作原理

SDRAM

PAL/NTS编码

MPEG_2解码器

TS流解复用

QAM解调

高频头

视频输出

音频输出

CPU主处理器

Flash

RS232

智能卡

I2C

DRAM

RS232接口

条件接受智能卡接口

前面板

E2PROM

图2.1有线数字电视机顶盒原理图

由机顶盒原理图看出了数字电视机顶盒的运转过程：

首先有线网传输过来的高频信号被高频头接收，经过QAM解调器对信号进行信道解码，然后在在载波里面剥离出传送流，其中传送流中含有视频、音频以及别的数据流。

这些传输流的数据是复杂且混合的，在这些数据中节目是混乱的，因此解复用模块需要将混乱的节目识别出来，并从中抽出有关的音视频流与数据流，在由MPEG-2解码器与有关的软件对其信息进行还原。

对收费频道来说，条件接收模块要对其音视频进行解扰方能收看，在这模块中还有能辨别用户与执行记账作用的智能卡，就能让合法用户观看。

要转化出模拟的音视频信息，就需要音视频信号被MEPG-2的压缩，在经过音视频编码器数模变换，高质量画像就呈现在普通彩色电视屏幕中，节目也会出现多声道立体声[8]。

2.2几种数字电视机顶盒方案

目前的情况，市场上出现了各种机顶盒的实现方法，如博通公司BCM7401、BCM7402的方案;卓然Zuran公司的R391055，ZR39640，ZR39660，ZR39680等不同类型系类的高清晰度的使用方案；ATI公司的XILLEON22系列；还有SMP8630、SMP8634等由igmaDesign设计出的方法s;ST公司的STi55XX和STi7020系列的芯片的不同应用等。

2.2.1BCM7401解决方案

BCM7401是博通的一款单芯片AVC/MPEG-2/V（M（H,264/MPEG4Part10）高清视频解码Soc,面向有线电视、卫星、宽带线路机顶盒与目前电视广播领域普遍釆用的影像解码方式MPEG-2相比，Broadcom的AVCNC-1芯片解决方案所需的带宽仅为其1/2-1/3。

BCM7401单芯片解决方案是原来获得广泛应用的BCM7038和BCM7411双芯片方案的改进型，是面向机顶盒和客户端网关设备应用的高清晰度芯片级系统Soc解决方案。

优点：

功能强大，扩展接口丰富，而且兼容性强，除在数字电视领域广泛应用外，还可应用于DVD、电视电话等系统中。

采用这种方案的好处在于灵活性髙，能够支持多种视频编解码标准，而且相对节省带宽资源。

缺点：

价格昂贵，多数情况下用于优质的数字电视机顶盒。

2.2.2ZR39680解决方案

卓然公司的单芯片方法是使用ZR39680。

它能运用5个不同部分的功能，如音视频解码、HDMI接口、EEE-1394及LVDS驱动和先进的视频处理引擎，以控制和驱动液晶显示屏LCD、背投和等离子。

ZR39680包括数字地面接收器、ATSC兼容的高清电视解码器，以及对单向数字电缆（UDC）的更多支持及一个CableCard接口。

卓然的ZR39680设计方案具有成本较低的特点，但是这款芯片的功能相对较弱，集成度也不高，扩展功能不如STi5514强，在一定程度上增加了成本。

2.2.3STi5514+STi7020解决方案

STi5514是属于一个单片标清机顶盒信源解码器芯片，同时有与众不同的解码功能，可以配合STi7020完成执行不同清晰度的音视频解码。

它具备了一个超高性价比的32位CPU、三个独有不同的DVB传输流解复用和解除干扰模块、一个优秀良好的视频解码部分，一个具有不同标准的音蘋解码模块、一个DEAC。

另外，它内包含了ATAPI接口，能和硬盘驱动器实现无缝连接，执行录放像和时间移动播放等作用。

它还具备了不同的外接设备，如SSC等，可以实现不同的功能，如条件接收，软件升级。

2.3本论文的方案

本次任务采取使用了ST公司的STi5514+STi7020的两种芯片，来完成高清数字电视解码器的设计，其中STi5514是系统的主要操控芯片，实现系统操控、解复用和一路标清节目的解码作用，而STi7020的作用是实现音视频的解码，解码1路AC3音频、OSD显示以及2路高质量视频解码。

第三章高频头的原理

3.1数字调谐原理

数字电视调谐器分为两段：

前部分的调谐电路，帮助RF的接收、